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Biomécanique des plantes:

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Présentation au sujet: "Biomécanique des plantes:"— Transcription de la présentation:

1 Biomécanique des plantes:
des modèles structure-fonctions, pourquoi faire? Thiéry Constant, INRA, UMR Lerfob, Nancy Thierry Fourcaud, CIRAD, UMR AMAP, Montpellier Bruno Moulia, INRA, UMR PIAF, Clermont-Ferrand PLANTVIRT mars, ENS Lyon PLANTVIRT

2 I - La biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
PLAN DE L’EXPOSE I - La biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques II - Le dispositif de recherche actuel en France III- Plantes virtuelles et biomécanique IV- Les messages à ramener à la maison PLANTVIRT mars, ENS Lyon

3 I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Introduction générale à la bioméca: Fonctions mécaniques soutien réorientation? - Croissance primaire orientation f( phototropisme, gravitropisme, phyllotaxie, etc… processus liés à la croissance 2 (différentiation, déformation maturation cellulaire,  f(inclinaison,) oui mais pas seulement cf. déformation  correction de la forme issue c1  conséquences sur la forme et contraintes internes  PLANTVIRT mars, ENS Lyon

4 + I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
L’arbre : une structure soumise à des forces extérieures Structure aérienne + Forces de trainée + Poids propre Vibration (fréquences; amortissement) Contraintes & déformations Vent Transmission des forces à l’ensemble racines-sol Bras de levier Ancrage racinaire PLANTVIRT mars, ENS Lyon

5 I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
PLANTVIRT mars, ENS Lyon L’arbre : une structure vivante qui réagit!!! Couple croissance primaire, croissance secondaire et différenciation de bois, et croissance racinaire pour permettre le dimensionnement mécanique, le maintien et le déploiement de l’architecture (Moulia et al. 2006) Dimensionnement (dans la gamme écologique de vent) = thigmomorphogenèse Coutand in Fournier et al. 2005 Contrôle actif du port (quand dimensionnement pris en défaut): tropismes gravitropisme Pivotement racinaire Coutand in Fournier et al.., 2005 gravité vent Les processus biomécaniques : Un grand rôle dans le contrôle de la distribution de la croissance et dans les relations croissance qualité

6 I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Croissance et différenciation : Structure et matériau=f(t, état mécanique ….), mécano- et gravi- perception Le houppier : structure aérienne Répartition de la biomasse Prise au vent Transmission des efforts Amortissement aérodynamique Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes Le bois matériau actif Le bois matériau passif structure (macro-micro) => propriétés mécaniques Les racines : fonction d’ancrage Interactions racines-sol, architecture PLANTVIRT mars, ENS Lyon

7 I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Caractériser et modéliser les lois de comportement du bois Comprendre les relations entre la structure du bois (micro-macro) et ses propriétés mécaniques ENJEUX : Paramétrage des modèles mécaniques pour analyses à différentes échelles Améliorer la qualité du bois formé dans l’arbre Le bois matériau passif structure (macro-micro) => propriétés mécaniques PLANTVIRT mars, ENS Lyon

8 Croissance et différenciation :
I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Croissance et différenciation : Structure et matériau=f(t, état mécanique ….), mécano- et gravi- perception QUESTIONS : Comprendre les mécanismes de mécanoperception et de contrôle de la croissance et de sa distribution Variables perçues ? déformation Réponse de croissance et intégration dans l’arbre en fonction du « climat mécanique » (vent) ENJEUX : Prise en compte des couplages bio-mécaniques entre croissance II, IIre, racinaire, dans les modèles (gain en robustesse) Acclimatation des arbres au vents dans un contexte de changements climatiques ( tempêtes plus fréquentes à même vent constant annuel) Conséquences sur la forme des fûts et la qualité des bois (flexure wood) PLANTVIRT mars, ENS Lyon

9 I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Le houppier : structure aérienne Répartition de la biomasse Prise au vent Transmission des efforts Amortissement aérodynamique QUESTIONS : Influence de la structure aérienne sur la répartition des forces dans l’arbre; Impact de la structure aérienne sur les comportement aérodynamique de l’arbre (fréquences propres, amortissement de structure) ENJEUX : Relations entre sylviculture, QB et volis Mieux appréhender la diversité des formes en relation avec le contexte écologique (acclimatation aux contraintes mécaniques, évolution) PLANTVIRT mars, ENS Lyon

10 I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Influence de l’architecture racinaire sur l’ancrage de l’arbre; ENJEUX : Etudes sur les risques de chablis Mieux appréhender les processus d’adaptation de la croissance racinaire aux contraintes mécaniques (plasticité architecturale) Les racines : fonction d’ancrage Interactions racines-sol, architecture PLANTVIRT mars, ENS Lyon

11 I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Comprendre les mécanismes de déformation de maturation à différentes échelles Mécanoperception et différentiation cellulaire Comment les contraintes de maturation se mettent en place Relations forme-contraintes de croissance Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes Le bois matériau actif ENJEUX : Intégration des tropismes secondaires (gravi-, hélio-, auto-, etc.) dans des modèles de biomécanique aux échelles axe, arbre, peuplement. Conséquences sur la qualité du bois (bois de réaction, anisotropie de la croissance, précontraintes et fentes d’abattage, forme des tiges, etc..) Mieux appréhender la diversité des bois en relation avec le contexte écologique (acclimatation aux contraintes mécaniques, évolution) PLANTVIRT mars, ENS Lyon

12 Différentiation et maturation cellulaire
I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques Evolution millénaires Plasticité Tropismes Arcure Contraintes décennies années Varaiabilité Différentiation et maturation cellulaire Elongation Anisotropie Différentiel DM jours mécanoperception Vibrations Amortissement Ruine secondes cellule organe axe plante population

13 I - la biomécanique, ses enjeux et ses questions spécifiques
Faire une liste des questions principales liées aux différentes bulles??? Relations micro-structure (MFA) propriétés méca du bois); Comment l’arbre perçoit les forces ext., mécanoperception et transduction signal (Bruno?) Relations entre développement du houppier et forme de la tige + propriétés bois (Thiéry?) La quantité de bois de réaction et sa localisation dans la grume sont essentiels pour les questions de qualité d’arbre sur pied (contraintes fentes à l’abattage) et des produits (Bois de réaction  forte hétérogénéité des retraits dans un produit) Problème sous-jacent, comment maitrîser le développement des contraintes en minimisant les interventions sylvicoles dans un contexte de forêt irrégulière où la compétition est plus complexe à appréhender que dans un système régulier D’où l’importance de faire le lien entre l’outil de gestion forestière qu’est l’éclaircie et la réponse des individus en termes de croissance, (développement du houppier  croissance secondaire -> présence de bois de réaction Conséquences de l’architecture sur la réponse bioméca à l’échelle de l’arbre (stabilité à un instant T) Stratégies de développement pour objectifs bioméca (archi, allocation, allométrie, etc.) Biomasse aérienne  gravitropisme Interactions bioméca avec autres processus aux échelles individu et population (compétition) - Traits de vie des espèces, espèces héliophiles, autoportance , cf. mériem woodiversity

14 LadHyX , : 2 chercheurs, 2 doc LMGC: 5 chercheurs, 1 doc
Bioméca INRA CNRS – Paris Tech (X) LadHyX , : 2 chercheurs, 2 doc Dynamique vibratoires Interactions fluides solide Biomimétique Echelles: plante dans son environnement INRA-EFPA LERFoB: 3 chercheurs 1 post doc Ecologie, Sylviculture, Croissance des Arbres et Qualité du bois, Bois de réaction, Gravitropisme Facteurs de risque, stratégies de croissance Echelles: Arbre Mature, Peuplement, communautes II – le dispositif de recherche actuel en France Méca – bioméca CNRS Bio INRA avec connections bioméca Coll en cours avérée: ANR Woodiversity, Chène Roseau, thèse coencadrée, publi INRA BV Univ Versailles Equipe PAROIS- IJB : 3 Chercheurs Formation des parois Ires et IIre, At Peuplier Echelles: Cellule- plante NANCY INRA EA- EFPA, Univ Clermont II PIAF-MECA: chercheurs, 1 postdoc, 5 doc Bio-Mécanique Intégrative de l’acclimatation mécanique: mécano et gravi-perception, thigmomorphogénèse, tropismes, modélisation biomécanique intégrative Echelles: Celulle, tissus, organe, arbre dans son environnement INRA EFPA AGPF: 3 Chercheurs Formation des parois lignifiés, Bois de Tension Peuplier Echelles: Cellule-plante CLERMONT- FERRAND INRA EA EFPA Ephyse 2 chercheurs, 1 postdoc Intéractions physiques vent-forêt Echelles: Arbre Mature, Peuplement BORDEAUX INRA EFPA- CIRAD-CNRS AMAP: 3 chercheurs, 2 postdoc, 4 doc Architecture, acclimatation, évolution, stabilité, modèles SF Echelles: axe, plante, population MONTPELLIER INRA EFPA- Univ Bdx BIOGECO: 3 Chercheurs Formation du bois, ancrage racinaire Echelles: cellule, tige, population CNRS-Univ Montp II LMGC: 5 chercheurs, 1 doc Contraintes, bois de réaction, rhéologie Echelles: micro-structure, cellule, axe

15 III – Plantes virtuelles et biomécanique
Intégration de la biomécanique dans des modèles de croissance structure-fonctions: Étude des interactions entre les différents processus (transport eau, assimilation, allocation) Montrer à quels niveaux peut-intervenir la bioméca sur le schéma qui représente les processus et objets de base d'un modèle FSPM (voir diapo suivante). Je pense notamment qu'il faudrait parler de "stratégie d'investissement de la matière sèche" (modification des puits, i.e. croissance 1 et 2, branchaison, allométrie) + réactions bioméca active (tropismes liés à la différenciation et aux déformations de maturation des bois de réaction) pour des objectifs spécifiques à la bioméca (stabilité) ou autres (occupation de l'espace p/r à d'autres critères comme la lumière). Parler aussi de l'échelle temporelle avec les conséquences de ces stratégies sur la croissance et le développement à long terme.

16 III – Plantes virtuelles et biomécanique
Visualisation et analyse architecturale Quelques exemples d’applications Numérisation de structures réelles Codage sous un format MTG AMAP (Godin et al., 1999) Maillage de la structure en éléments de poutres Analyse des résultats et visualisation Addition de la matrice de sol Fichier de commandes généré pour l’analyse MEF Calcul MEF (d’après Fourcaud et al. 2003, Proc. PMA03)

17 (première tentative de rétroaction méca-croissance)
III – Plantes virtuelles et biomécanique Quelques exemples d’applications Ancrage racinaire Dynamique de l’arbre Dupuy et al., 2005, 2007 Couplage croissance-biomécanique Fourcaud et al., 2003 e) CW a) b) tree T9 Sellier et al., 2006, 2008 Gravimorphisme (première tentative de rétroaction méca-croissance) Fourcaud et al., 1998 1ère PLANTVIRT mars, ENS Lyon PLANTVIRT

18 III – Plantes virtuelles et biomécanique
Couplage biomécanique-croissance OBJECTIF : Nécessité d’intégration à l’échelle de l’arbre pour comprendre les interactions entre biomécanique et développement Le houppier : structure aérienne Répartition de la biomasse Prise au vent Transmission des efforts Amortissement aérodynamique Le bois matériau passif structure (macro-micro) => propriétés mécaniques Déformation de maturation => tropismes secondaires => précontraintes Le bois matériau actif Les racines : fonction d’ancrage Interactions racines-sol, architecture PLANTVIRT mars, ENS Lyon

19 III – Plantes virtuelles et biomécanique
Couplage biomécanique-croissance 3D architecture phenotype leaves fruits roots C reserves Sinks Air sources Soil sources SOIL water, nutrients ATMOSPHERE light, temperature SPECIES genotype C N, P, K wood buds Respiratory loss Loss of senescing tissues Other (exudation, mycorrhizas, isoprene emission etc.) INPUTS OUTPUTS INVESTMENT Morphotype photosynthesis absorption Root morphology Root depth Canopy structure Leaf display Meristematic activity Ontogeny Acclimation Timing/Duration Genetic control of phenology during ontogeny Functional duration of organs Uptake kinetics From Fourcaud et al., 2008, Annals of Botany PLANTVIRT mars, ENS Lyon

20 III – Plantes virtuelles et biomécanique
Couplage biomécanique-croissance 3D architecture phenotype leaves fruits roots C reserves Sinks Air sources Root-soil interactions Wind, gravity C wood buds INPUTS INVESTMENT Meristematic activity Ontogeny Anchorage Forces Timing/Duration Biomechanical responses Mechanical state (strains, stresses, sway frequencies, damping, etc.) Genetic control of phenology during ontogeny Functional duration of organs Uptake kinetics RQ: Liens entre mécanoperception et croissance – allocation des assimilats à plusieurs échelles : via les forces de puits dans un schéma « classique » via les mécanismes biophysiques et moléculaires qui déterminent forces de puits et transport PLANTVIRT mars, ENS Lyon

21 IV – Les messages à ramener à la maison
Importance de la biomécanique dans les processus de croissance (relations forme de croissance-biomécanique; durée de vie, i.e. volis et chablis) Nécessité de développer des modèle Structure-Fonctions pour la biomécanique (modèles à géométrie explicite de mécanique des structures couplés à des modèles biologiques) Nécessité d’intégrer la biomécanique dans des modèles multifonctions (interaction avec d’autres processus) Nécessité de développer des modèles de structure simplifiés pour application à plus grande échelle (relations formes-hétérogénéité bois-précontraintes dans le tronc, QB) Existence d’un réseau français de biomécanique structuré, dynamique et en extension PLANTVIRT mars, ENS Lyon

22 V – les attentes et perspectives en terme de plateformes
Cette partie risque d’être un peu bateau! Ce sera déjà largement discuté dans la partie précedente (besoin d’intégration de la bioméca comme autres processus dans un (des) modèles FSPM. On peut donner deux stratégies différentes: Intégration dans un modèles de croissance (par exple modèle Greenlab dans Digiplante), Avant de parler d’intégration, il est possible d’envisager un couplage dans le même esprit que ce que tu as fait avec Philippe Ancelin dans Capsis, Car En fonction des questions posées on peut envisager que les modèles structures fonctions ne soient pas toujours les plus efficaces. intégration dans une plateforme gérant les interactions entre des modules indépendants (ALEA) L’option deux permet de travailler à différents niveaux d’échelles


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